产生颜色移动的光纤照明系统的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35u.s.c.§119要求于2014年10月10日提交的美国临时申请序列号62/062381的优先权权益，所述临时申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。
发明领域
本申请总体上涉及用于照明应用中的光漫射光纤，并且更具体地涉及能够沿着光纤的长度产生颜色移动的光漫射光纤。
背景技术：
光纤用于光需要被从光源传递至远端位置的各种应用。光学电信系统例如依赖于光纤网络从服务提供商向系统最终用户传输光。
电信光纤被设计成工作于从800nm至1675nm的范围内的近红外波长，在所述范围内，由于吸收和散射而仅存在相对低水平的衰减。这允许被注入光纤一端的光大部分离开光纤的相反端，而仅微少的量通过光纤的侧面外围地离开。
然而，最近，越来越需要与常规光纤相比对弯曲不那么敏感的光纤。这是因为越来越多的电信系统被部署成需要光纤紧紧弯曲的配置。这种需要已引起了利用包围芯区域的一圈非周期性布置的小型空隙的光纤的发展。包含空隙的圈用于提高弯曲不灵敏性——也就是说，光纤可以具有更小的弯曲半径而不经受在光纤中传播的光学信号衰减的显著变化。通过在光纤的包层中放置包含空隙的圈区域(离芯一定距离)使光学损失最小化；因而，传播经过包含空隙的圈区域的光的量被最小化。
由于光纤通常被设计成用于在长距离上从光纤的一端向光纤的另一端高效地传递光，非常少的光从典型光纤的侧面逃离，并且因此光纤不被视为非常适用于形成长期照明源。然而，存在特殊照明、看板、或生物应用(包括细菌生长以及光生物能和生物质燃料的生产)等许多应用，其中，需要以高效的方式将选择的光量提供给指定区域。对于生物质生长，需要开发将光能转换成基于生物质的燃料的工艺。对于特殊照明，光源需要薄、柔软、且容易更改成各种不同形状。
弯曲不敏感性光漫射光纤在汽车、电器、建筑、零售、以及其他使用光作为装饰和/或指示特征的市场有许多应用。然而，从现有的光漫射光纤发射的彩色光很大程度上是静止的，发出的光的唯一变化是沿着光纤的整个长度一种光颜色取代另一种光颜色的完全变化。
相应地，在本领域中需要能够沿着光纤的长度产生颜色移动的光漫射光纤系统。
技术实现要素：
本说明书针对具有能够沿着光纤的长度产生颜色移动的光漫射光纤的照明系统。
根据一个实施例，一种照明系统包括：
光漫射光纤，包括第一输入端和第二输入端，所述光漫射光纤具有玻璃芯、包围所述玻璃芯的包层、以及外表面，并且进一步包括位于所述光纤内的多个纳米尺寸结构，所述纳米尺寸结构被配置成用于散射光；
第一光源，与所述光漫射光纤的所述第一输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第一波长的光，其中，从所述第一光源所发射的光的强度是可调整的；以及
第二光源，与所述光漫射光纤的所述第二输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第二波长的光，其中，从所述第二光源所发射的光的强度是可调整的；
其中，颜色变化在所述光漫射光纤内形成于从所述第一光源所发射的所述光与从所述第二光源所发射的所述光的交叉点(junction)处；
其中，通过调整从所述第一光源和所述第二光源中的一个或多个所发射的光的强度，所述颜色变化的位置是沿着所述光漫射光纤可调整的
根据实施例的是一种照明系统，包括：(i)光漫射光纤，包括第一输入端和第二输入端的，所述光漫射光纤具有玻璃芯、包围所述玻璃芯的包层、以及外表面，并且进一步包括位于所述玻璃芯内或芯-包层边界处的多个纳米尺寸结构，所述纳米尺寸结构被配置成用于散射光；(ii)第一光源，与所述光漫射光纤的所述第一输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第一波长的光，其中，从所述第一光源所发射的光的强度是可调整的；以及(iii)第二光源，与所述光漫射光纤的所述第二输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第二波长的光，其中，所述第一波长，其中，从所述第二光源所发射的光的强度是可调整的。交界在所述光漫射光纤内形成于从所述第一光源所发射的所述光与从所述第二光源所发射的所述光的交叉点处，并且，通过调整从所述第一光源和所述第二光源中的一个或多个所发射的光的强度，所述交界的位置是沿着所述光漫射光纤可调整的。
根据实施例，所述系统进一步包括：第一电位计，被配置成用于控制向第一光源的电力输入；第二电位计，被配置成用于控制向第二光源的电力输入。
根据实施例，第一光源和第二光源是led。
根据实施例，所述光纤包括形成于其中的多个弯曲，用于优选地经由纳米尺寸空隙散射导光远离所述芯并穿过所述外表面。
根据实施例，所述光纤具有0.5m至100m的长度l。
根据实施例，所述光纤是多模光纤，并且包括：(i)大于50μm且小于500μm的芯直径；以及(ii)数值孔径na>0.2。
根据实施例，所述光漫射光纤的芯包括二氧化硅，并且纳米尺寸空隙位于所述芯内。
根据实施例，纳米尺寸空隙位于所述芯内并且所述芯具有外直径rc，并且所述芯包括：具有半径r1的实心(solid)内芯区段，使得0.1rc<r1<0.9rc；具有宽度w2的纳米结构区域，其中，0.05rc<w2<0.9rc；以及具有0.1rc<ws<0.9rc之间的宽度ws的外实心芯区域，其中，芯的每个区段包括二氧化硅玻璃。
根据实施例，所述芯包括掺杂有以下掺杂剂中至少一种的二氧化硅：ge、f。
根据实施例，所述整个芯包括纳米尺寸空隙。
根据实施例，所述包层包括基于二氧化硅的玻璃或者聚合物。
根据实施例，所述系统进一步包括布置在所述光纤的所述外表面上的涂层，其中，荧光物质被布置在所述光纤涂层中。
根据实施例，所述光源生成在200nm-2000nm波长范围内的光。
根据实施例，所述光纤包括以下各项中至少一项：颜料、磷光体、荧光材料、uv吸收性材料、亲水材料、光修改性材料、或其组合。
根据一方面的是一种汽车，所述汽车包括照明系统，所述照明系统包括：(i)光漫射光纤，包括第一输入端和第二输入端的，所述光漫射光纤具有玻璃芯、包围所述玻璃芯的包层、以及外表面，并且进一步包括位于所述玻璃芯内或芯-包层边界处的多个纳米尺寸结构，所述纳米尺寸结构被配置成用于散射光；(ii)第一光源，与所述光漫射光纤的所述第一输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第一波长的光，其中，从所述第一光源所发射的光的强度是可调整的；以及(iii)第二光源，与所述光漫射光纤的所述第二输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第二波长的光，其中，所述第一波长，其中，从所述第二光源所发射的光的强度是可调整的。交界在所述光漫射光纤内形成于从所述第一光源所发射的所述光与从所述第二光源所发射的所述光的交叉点处，并且，通过调整从所述第一光源和所述第二光源中的一个或多个所发射的光的强度，所述交界的位置是沿着所述光漫射光纤可调整的。
根据一方面的是一种照明系统，包括：(i)光漫射光纤，包括第一输入端和第二输入端的，所述光漫射光纤具有玻璃芯、包围所述玻璃芯的包层、以及外表面，并且进一步包括位于所述玻璃芯内或芯-包层边界处的多个纳米尺寸结构，所述纳米尺寸结构被配置成用于散射光；(ii)第一光源，与所述光漫射光纤的所述第一输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第一波长的光，其中，从所述第一光源所发射的光的强度是可调整的；(iii)第二光源，与所述光漫射光纤的所述第二输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第二波长的光，其中，所述第一波长，其中，从所述第二光源所发射的光的强度是可调整的；(iv)第一电位计，被配置成用于控制向第一光源的电力输入；以及(v)第二电位计，被配置成用于控制向第二光源的电力输入。交界在所述光漫射光纤内形成于从所述第一光源所发射的所述光与从所述第二光源所发射的所述光的交叉点处，并且,通过利用所述第一和第二电位计中的一个或多个调整从所述第一光源和所述第二光源中的一个或多个所发射的光的强度，所述交界的位置是沿着所述光漫射光纤可调整的。
根据实施例，第一光源和第二光源是led。
根据实施例，所述光源生成在200nm-2000nm波长范围内的光。
根据至少一个实施例的是一种照明系统，包括：(i)光漫射光纤，包括第一输入端和第二输入端；(ii)第一光源，与所述光漫射光纤的所述第一输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第一波长的光，其中，从所述第一光源所发射的光的强度是可调整的；(iii)第二光源，与所述光漫射光纤的所述第二输入端光学地耦合并且被配置成用于生成具有第二波长的光，其中，所述第一波长，其中，从所述第二光源所发射的光的强度是可调整的。交界在所述光漫射光纤内形成于从所述第一光源所发射的所述光与从所述第二光源所发射的所述光的交叉点处，并且，通过调整从所述第一光源和所述第二光源中的一个或多个所发射的光的强度，所述交界的位置是沿着所述光漫射光纤可调整的。即，例如所述光源中的至少一个、以及(在一些实施例中)两者被配置成用于提供(多种)可调整的或变化的光强度。在一些实施例中，可以通过其他方式(例如，在不同位置具有不同吸收特性的可旋转或可滑动的吸收滤光器)调整所述(多个)光源所提供的光的强度。
根据实施例，所述照明系统进一步包括：第一电位计，被配置成用于控制向第一光源的电力输入；以及第二电位计，被配置成用于控制向第二光源的电力输入。
根据实施例，第一光源和第二光源是led。
如在此为了本公开的目的而使用的，术语比如“水平”、“竖直”、“前”“后”等，以及笛卡尔坐标的使用是为了附图中参考并且为了描述方便，并且在或者说明书中或者权利要求书中关于绝对取向和/或方向不旨在是严格地限制性的。
在以下本公开的说明中，联系具有纳米尺寸结构的光漫射光纤使用以下术语和短语。“折射率分布”是折射率或相对折射率与波导(光纤)半径之间的关系。“相对折射率百分比”被定义为δ(r)％＝100×[n(r)2-n参考2)]/2n(r)2，其中，n(r)是在半径r处的折射率，除非另外指明相对折射率百分比是在850nm处定义的，除非另外指明。一方面，参考折射率n参考是在850nm处具有折射率1.452498的二氧化硅玻璃，另一方面是包层玻璃在850nm处的最大折射率。如在此使用的，相对折射率用δ表示并且它的值以“％”为单位给出，除非另外指明。在区域的折射率小于参考折射率n参考的情况下，相对折射率百分比是负的并且被称为具有凹陷区域或凹陷折射率，并且最小相对折射率是在相对折射率最负的点处计算的，除非另外指明。在区域的折射率大于参考折射率n参考的情况下，相对折射率百分比是正的并且所述区域可以说是升高的或具有正折射率。
如在此所使用的术语“上掺杂剂(updopant)”被认为是相对于纯的未掺杂sio2具有升高折射率的倾向的掺杂剂。如在此所使用的术语“下掺杂剂(downdopant)”被认为是相对于纯的未掺杂sio2具有降低折射率的倾向的掺杂剂。上掺杂剂在伴随有不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样地，不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。下掺杂剂在伴随有不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂时，可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。同样地，不是下掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。
如在此所使用的术语“α分布”或“阿尔法分布”指相对折射率分布，依据以“％”为单位的δ(r)表达，其中，r是半径，所述半径遵循等式δ(r)＝δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)]α)，其中，ro是δ(r)最大处的点，r1是δ(r)％为零处的点，并且r在范围ri≦r≦rf内，其中，δ是在上文定义的，ri是α分布的原始点，rf是α分布的最终点，并且α是指数，此指数是实数。
如在本文中所使用的，术语“抛物线的”因此包括基本上抛物线形状的折射率分布，这些折射率分布可以在芯中的一个或多个点处从2.0的α值略微变化，以及具有微小变化和/或中心线下降的分布。在一些实施例中，α大于1.5并且小于2.5在其他实施例中，α大于1.7并且小于2.3。在又其他实施例中，当在850nm处测量时，α在1.8与2.3之间。在其他实施例中，折射率分布的一段或多段具有基本上阶跃折射率形状，所述阶跃折射率形状具有大于8的α值。在其他实施例中，当在850nm处测量时，α大于10或大于20。
如在本文所使用的，术语“纳米结构的光纤区域”指描述具有伴随大量(大于50)的气体填充的空隙或其它纳米尺寸结构的区域或区的光纤，例如在所述光纤的横截面中具有多于50个、多于100个或多于200个空隙。填充空隙的气体的可以包含例如so2、kr、ar、co2、n2、o2或其混合物。如在此所描述的，纳米尺寸结构(例如，空隙)的横截面尺寸(例如，直径)可以从10nm到1μm变化(例如，50nm至500nm)，并且长度可以从1毫米到50米(例如，2mm到5米，或5mm到1m范围)变化。
在标准单模或多模光纤中，在小于1300nm波长的损失由瑞利散射主导。这些瑞利散射损失ls是由材料的特定所确定的并且对于可见波长(400nm至700nm)一般约20db/km。瑞利散射损失还具有较强波长依赖性，这意味着需要至少约1km至2km的光纤来消散输入光的95％以上。更短长度的这种光纤将导致更低的照明效率，同时使用较长的长度(1km至2km，或更多)会更加昂贵并且会难以管理。所述较长长度的光纤在用于生物反应器或其他照明系统时安装起来会麻烦。
在照明应用的某些配置中，期望使用更短波长的光纤，例如1至100米，虽然显著短于1米和显著长于100米的长度是可能的。这需要提高来自光纤的散射损失，同时能够维持良好的角度散射特性(远离光纤轴线的均匀光消散)和良好弯曲性能从而避免光纤弯曲处的亮斑。在此所描述的本公开的实施例中的至少一些的期望属性是沿着光纤照明器长度的高照明。由于光纤是柔性的，它允许部署各种各样的照明形状。在光纤的弯曲点基本上不存在亮斑(由于升高的弯曲损失)，使得光纤所提供的照明改变不超过30％。在一些实施例中，照明改变小于20％并且有时小于10％。例如，在至少一些实施例中，光纤的平均散射损失大于50db/km，并且散射损失在0.2m长度的任何给定光纤段上改变不超过30％(即，散射损失在平均散射损失的±30％以内)。根据至少一些实施例，光纤的平均散射损失大于50db/km，并且散射损失在小于0.05m长度的光纤段上改变不超过30％。根据至少一些实施例，光纤的平均散射损失大于50db/km，并且散射损失在0.01m长度的光纤段上改变不超过30％(即，±30％)。根据至少一些实施例，光纤的平均散射损失大于50db/km，并且散射损失在0.01m长度的光纤段上改变不超过20％(即，±20％)并且在一些实施例中不超过10％(即，±10％)。
在至少一些实施例中，经过光纤的侧面到来的处于照明波长的经集成(经漫射)光强度的强度变化小于光纤的目标波长的30％，所述目标波长可以是例如0.02至100m长度。要注意的是，通过将荧光材料结合在包层或涂层中，可以改变处于指定照明波长的穿过光纤侧面的经集成光强度。荧光材料所散射的光波长与在光纤中传播的光波长不同。
在以下示例性实施例中的一些中，描述了具有被放置在光纤的芯区中、或非常接近芯的纳米结构光纤区域(具有纳米尺寸结构的区域)的光纤设计。这些光纤实施例中的一些具有超过50db/km的散射损失(例如，大于100db/km、大于200db/km、大于500db/km、大于1000db/km、大于3000db/km、大于5000db/km)，所述散射损失(并且因此照明、或这些光纤所辐射的光)在角度空间内是均匀的。
为了减少或消除光纤内作为弯曲的光斑，期望当弯曲直径小于50mm时光纤内90°弯曲处衰减的提高小于5db/圈(例如，小于3db/圈、小于2db/圈、小于1db/圈)。在示例性实施例中，在甚至更小的弯曲直径(例如，小于20mm、小于10mm、以及甚至小于5mm)处实现低弯曲损失。在5mm的弯曲半径处，衰减的总上升小于1db每90度圈。
根据一些实施例，弯曲损失等于或低于来自直光纤的芯的本征散射损失。本征散射主要是由于来自纳米尺寸结构的散射。因而，至少根据光纤的弯曲不敏感实施例，弯曲损失不超过光纤的本征散射。然而，由于散射水平是弯曲直径的函数，光纤的弯曲部署取决于其散射水平。例如，在这些实施例当中的一些中，光纤具有小于3db/圈的弯曲损失，并且在一些实施例中，小于2db/圈，并且光纤可以被弯曲成具有与不形成光斑的5mm半径一样小的半径的弧。
同样，在下面的描述中，在据说贯穿光敏性材料提供或传递经散射的光化光的一些实施例中，所述经散射的光化光被假定为具有足够的强度以在合理时间段内在光敏材料上进行光化反应。
本发明的这些和其他方面将从下文所描述的(多个)实施例清楚或将参照下文所描述的(多个)实施例对其进行阐述。
附图说明
在附图中，相同的参考字符一般指贯穿不同视图的相同部分。同样，附图不一定是按比例的，相反重点一般在于展示本发明的原理上。
图1是根据实施例的光漫射光纤的一个区段的示意图；
图2是沿着方向2-2观看时图1的光纤的示意性截面；
图3a是相对折射率图相对根据实施例的光漫射光纤的光纤半径的示意性展示；
图3b是相对折射率图相对根据实施例的光漫射光纤的光纤半径的示意性展示；
图3c是根据实施例的光漫射光纤的示意性展示；
图4是根据实施例的光漫射光纤的示意性展示；
图5是根据实施例的光漫射光纤内的颜色前端的示意性展示；
图6是根据实施例的光漫射光纤内的颜色前端移动的示意性展示；以及
图7是根据实施例的光漫射光纤内的颜色前端移动的示意性展示。
具体实施方式
本公开描述了沿着光漫射光纤的长度产生颜色移动外观的装置、系统、和设备的各实施例。虽然从现有弯曲不敏感的光漫射光纤发射的光和颜色很大程度上是静止的，申请人已经认知到，创造沿着光漫射光纤的长度的移动外观将是有益的。
考虑到前述情况，各实施例和实现方式针对一种被设计成用于创造光移动的外观的照明系统，所述照明系统包括光漫射光纤，所述光漫射光纤具有在每一端与光纤光学地连接的光源。这两个光源发射具有不同波长和可调整的强度的光，所述光沿着所述光纤的长度在交叉点相遇。所述移动的外观是通过调整这两个光源中第一个或两者所发出的光的强度而创造的，这改变了沿着光纤长度的交叉点位置。
现在详细参照本公开的优选实施例，附图中展示了这些实施例的示例。只要可能，在附图中使用相同或相似的参考数字来指代相同或相似的部分。应所述理解的是，在此所公开的实施例仅仅是示例，每一个实施例结合了本公开的某些益处。
可以在本公开的范围内对以下示例进行各种修改和改变，并且这些不同示例的方面可以用不同的方式混合以实现又进一步的示例。因此，鉴于但不限于本文所描述的实施例，将从本公开的整体来理解本公开的真实范围。
光漫射光纤
现在参照图1a，公开了光漫射光纤的示例实施例的一个区段的示意性侧视图。多个空隙被布置在具有中央轴线(“中心线”)16的光漫射光纤(下文中“光纤”)12的芯中。
图2是沿着图1中方向2-2观看时光漫射光纤12的实施例的示意性截面。光漫射光纤12可以是例如具有纳米结构光纤区域的各种类型光纤中的任何一种，所述纳米结构光纤区域具有周期性或非周期性纳米尺寸结构32(例如，空隙)。在示例实施例中，光纤12包括被分成三个区段或区域的芯20。这些芯区域可以是例如：实心中央部分22、纳米结构圈部分(内部环形芯区域)26、以及包围所述内部环形芯区域26的外部实心部分28。包层区域40(“包层”)环绕环形芯20并具有外表面。包层40可以具有低折射率从而提供高数值孔径(na)。包层40可以是例如低折射率聚合物材料，比如uv或热固化的氟化丙烯酸酯或硅酮。
可选涂层44环绕包层40。涂层44可以包括低模量主涂层和高模量次涂层。在一些实施例中，涂层44包括聚合物涂层，比如基于丙烯酸酯或基于硅酮的聚合物。在其他实施例中，所述涂层沿着光纤长度具有恒定直径。在一些示例性实施例中，涂层44被设计成增强从芯20传递穿过包层40的“辐射光”的分布和/或本质。包层40的外表面、或可选涂层44的外层代表光纤12的“侧面”48，通过散射使在光纤中行驶的光从所述侧面中出去，如在此所描述的。保护套或鞘(未示出)可选地覆盖包层40。光纤12可以包括经氟化包层40，但如果光纤要用于漏泄损耗不降低照明特性的短长度应用中则不需要所述经氟化包层。
在一些示例性实施例中，光漫射光纤12的芯区域26包括玻璃矩阵(“玻璃”)31，所述玻璃矩阵具有多个非周期性布置的纳米尺寸结构(例如，“空隙”)32位于其中，比如图2的放大插图中详细示出的示例空隙。在另一示例实施例中，空隙32可以被周期性地布置比如在光子晶体光纤中，其中，所述空隙一般具有在约1×10-6m与1×10-5m之间的直径。空隙32还可以被非周期性地或随机地安排在材料中。在一些示例性实施例中，区域26中的玻璃31是掺杂氟的二氧化硅，同时在其他实施例中，所述玻璃的未掺杂的纯二氧化硅。空隙的直径至少10nm。
纳米尺寸结构32使光散射离开芯20并朝向光纤的外表面。经散射的光然后被“漫射”通过光纤12的外表面从而提供期望的照明。即，光的大部分被沿着光纤长度漫射(通过散射)穿过光纤12的侧面。光纤在发射的辐射的(多个)波长(照明波长)内具有大于50db/km的散射诱导的衰减。散射诱导的衰减针对此波长大于100db/km。在一些实施例中，散射诱导的衰减在此波长大于500db/km，并且在一些实施例中，散射诱导的衰减会是例如1000db/km、大于2000db/km、或大于5000db/km。这些高散射损失比标准单模和多模光纤中的瑞利散射损失高约2.5至250倍。
芯区域22和28内的玻璃可以包括上掺杂剂，比如ge、al、和/或p。关于“非周期性布置”或“非周期性分布”，指的是当我们取光纤(比如图2中所示的)的横截面时，空隙32跨光纤的一部分随机或非周期性地分布。沿所述光纤的长度在不同点处所取的类似横截面将揭示不同的横截面空隙图案，即各横截面将具有不同的空隙图案，其中空隙的分布和空隙的尺寸不匹配。即，空隙是非周期性的，即它们在光纤结构内不是周期性地设置的。这些空隙沿光纤的长度(即平行于纵轴)伸展(延长)，但对于典型的传输光纤的长度不会延伸整个光纤的整个长度。虽然不希望受理论限制，但认为这些空隙沿光纤的长度延伸小于10米，并且在许多情况下小于1米。
如在此所使用的，下文所讨论的照明系统中的光漫射光纤12可通过利用预成型固化条件的方法来制造，这导致显著量的气体被捕获在固化的玻璃坯料中，从而在固化的玻璃光纤预制件中形成空隙。不是采取措施移除这些空隙，而是使用所得的预制件来形成其中具有空隙或纳米尺寸结构的光纤。所得到光纤的纳米尺寸结构或空隙被用来将光散射或引导(沿着光纤长度通过其侧面)出光纤。即，光被引导离开芯20的，穿过光纤的外表面，从而提供期望的照明。
如上所述，在光纤12的一些实施例中，芯区段22和28包括掺杂有锗的二氧化硅，即掺杂锗的二氧化硅。可在光纤的芯内、并且尤其在中心线16处或附近单独或组合地采用除锗之外的掺杂剂诸，以获得期望的折射率和密度。在至少一些实施例中，在此所公开的光纤的相对折射率分布在芯区段22和28内是非负的。在至少一些实施例中，所述光纤在所述芯中不含有降低折射率的掺杂剂。在一些实施例中，在此所公开的光纤的相对折射率分布在区段22和28内是非负的。
在如在此所使用的光纤12的一些示例中，芯20包括纯二氧化硅。在一个实施例中，光纤的优选属性是在生物材料敏感的期望光谱范围内将光散射出光纤(对光进行漫射)的能力。在另一实施例中，经散射的光可以用于装饰性特色和白光应用。通过改变光纤中玻璃的特性、纳米结构区域26的宽度、以及纳米尺寸结构的尺寸和密度可以提高通过散射的损失量。
在光纤12的一些实施例中，芯20是梯度折射率芯，并且芯的折射率分布具有抛物线(或基本上抛物线)形状；在一些实施例中，例如芯20的折射率分布具有α形状，所述形状具有约为2、并且在一些情况下当在850nm处测量时在1.8与2.3之间的α值。在其他实施例中，折射率分布的一段或多段具有基本上阶跃折射率形状，所述阶跃折射率形状具有大于8、并且在一些情况下当在850nm处测量时大于10、或大于20的α值。在一些实施例中，所述芯的折射率可具有中心线下降，其中所述芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率位于远离中心线16的一小段距离，但是在其他实施例中所述芯的折射率没有中心线下降，并且所述芯的最大折射率和整个光纤的最大折射率位于中心线处。
在示例性实施例中，光纤12具有基于二氧化硅的芯20和凹陷折射率(相对于二氧化硅)聚合物包层40。低折射率聚合物包层40可以具有为负，并且在一些情况下小于-0.5％、或小于-1％的相对折射率。在一些示例性实施例中，包层40具有20μm或更大的厚度。在一些示例性实施例中，包层40与芯相比具有更低的折射率、以及10μm或更大厚度(例如20μm或更大)。在一些示例性实施例中，包层具有r最大二倍的外直径，例如约125μm(例如，120μm至130μm、或123μm至128μm)。在其他实施例中，包层具有小于120μm的直径，例如60或80μm。在其他实施例中，包层的外直径大于200μm、大于300μm、或大于500μm。在一些实施例中，包层的外直径沿着光纤12具有恒定的直径。在其他实施例中，光纤12的折射率具有径向对称性。芯20的外直径沿着光纤的长度是基本上恒定的，并且芯区段22、26、28的外直径沿着光纤的长度也是基本上恒定。在本节中使用术语“基本上恒定”指直径相对于平均值的变化在一些实施例中可以小于10％，在其他实施例中小于5％，并且在又其他实施例中小于2％。
图3a是示例性相对折射率δ相对光纤(例如图2中所示的光纤12)的绘图(实线)。芯20还可以具有分级芯分布，其特征在于例如1.7与2.3之间的α值(例如，1.8至2.3)。芯区域22从中心线径向地向外延伸至其外半径r1，并且具有与最大折射率n1(以及相对折射率百分比δ1最大)相对应的相对折射率分布δ1(r)。在本实施例中，参考折射率n参考是包层处的折射率。第二芯区域(纳米结构区域)26具有最小折射率n2、相对折射率分布δ2(r)、最大相对折射率δ2最大、和最小相对折射率δ2最小，其中，在一些实施例中δ2最大＝δ2最小。第三芯区域28具有最大折射率n3、带有最大相对折射率δ3最大和最小相对折射率δ3最小的相对折射率分布δ3(r)，其中，在一些实施例中δ3最大＝δ3最小。在本实施例中，环形包层40具有折射率n4,、带有最大相对折射率δ4最大和最小相对折射率δ4最小的相对折射率分布δ4(r)。在一些实施例中，δ4最大＝δ4最小。在一些实施例中，δ1最大>δ4最大且δ3最大>δ4最大。在一些实施例中，δ2最小>δ4最大。在图2和图3a中所示的实施例中，δ1最大>δ3最大>δ2最大>δ4最大。在本实施例中，这些区域的折射率具有以下关系n1>n3>n2>n4。
在一些实施例中，芯区域22、28具有基本上恒定的折射率分布，如图3a中所示具有常数δ1(r)和δ3(r)。在这些实施例中的一些中，δ2(r)或者稍微为正(0<δ2(r)<0.1％)、负(-0.1％<δ2(r)<0)、或0％。在其他实施例中，δ2(r)的绝对值小于0.1％，基本上小于0.05％。在又其他实施例中，外包层区域40具有基本上恒定的折射率分布，如图3a中所示具有常数δ4(r)。在这些实施例中的一些中，δ4(r)＝0％。芯区段22具有其中δ1(r)≧0％的折射率。在一些实施例中，空隙被填充区域26具有相对折射率分布δ2(r)，所述相对折射率分布具有绝对值小于0.05％的折射率，并且芯区域28的δ3(r)可以例如为正或零。在至少一些实施例中，n1>n2且n3>n4。
在一些实施例中，包层40具有折射率-0.05％<δ4(r)<0.05％。在其他实施例中，包层40和芯部分20、26、和28可以包括纯(未掺杂的)二氧化硅。包层40可以可替代地包括纯低折射率聚合物。在一些实施例中，纳米结构区域26包括纯二氧化硅，所述纯二氧化硅包括多个空隙32。纳米结构区域26的(考虑任何空隙的存在)最小相对折射率和平均有效相对折射率均小于-0.1％。所述空隙或空隙32可以包含一种或多种气体比如氩气、氮气、氧气、氪气、或so2，或者可以包含基本上不具有气体的真空。然而，不管任何气体的存在或不存在，纳米结构区域26中的平均折射率由于空隙32的存在而被降低。空隙32可以随机地或非周期性地布置在纳米结构区域26中，并且在其他实施例中，空隙被周期性地布置在其中。在一些实施例中，所述多个空隙32包括多个非周期性布置的空隙和多个周期性布置的空隙。
在示例实施例中，芯区段22包括掺杂锗的二氧化硅，芯内部环形区域28包括纯二氧化硅，并且包层环形区域40包括玻璃或地折射率聚合物。在这些实施例中的一些中，纳米结构区域26在纯二氧化硅中包括多个空隙32；并且在这些实施例中的又其他实施例中，纳米结构区域26在掺杂氟的二氧化硅中包括多个空隙32。
在一些实施例中，芯的外半径rc大于10μm且小于600μm。在一些实施例中，芯的外半径rc大于30μm和/或小于400μm。例如，rc可以是125μm至300μm。在其他实施例中，芯20的外半径rc大于50μm且小于250μm。芯20的中央部分22具有在范围0.1rc<r1<0.9rc、并且在一些情况下0.5rc<r1<0.9rc内的半径。纳米结构圈区域26的宽度w2可以是0.05rc<w2<0.9rc，并且在一些情况下0.1rc<w2<0.9rc，并且在其他实施例中0.5rc<w2<0.9rc(针对相同密度的纳米尺寸结构，更宽的纳米结构区域给出更高的散射诱导的衰减)。实心玻璃芯区域28具有宽度ws＝w3，从而使得0.1rc<w3<0.9rc。芯20的每个区段包括基于二氧化硅的玻璃。纳米结构区域26的径向宽度w2可以大于1μm。例如，w2可以是5μm至300μm，或在一些情况下200μm或更少。在一些实施例中，w2大于2μm且小于100μm。在其他实施例中，w2大于2μm且小于50μm。在其他实施例中，w2大于2μm且小于20μm。在其他实施例中，w2至少为7μm。而在其他实施例中，w2大于2μm且小于12μm。芯区域28的宽度w3是(r3-r2)并且其中点r3中点是(r2+r3)/2。在一些实施例中，w3大于1μm且小于100μm。
光纤12的数值孔径(na)可以等于、或大于将光定向至光纤中的光源的na。光纤12的数值孔径(na)可以大于0.2，在一些实施例中大于0.3，并且在其他实施例中大于0.4。
在一些实施例中，第一芯区域22的芯外半径r1不小于24μm并且不大于50μm，即芯直径在约48与100μm之间。在其他实施例中，r1>24微米；在另外其它实施例中，r1>30微米；在又其他实施例中，r1>40微米。
在一些实施例中，对于环形内部区域26的径向宽度的50％以上，|δ2(r)|<0.025％，并且在其他实施例中，对于区域26的径向宽度的50％以上，|δ2(r)|<0.01％。折射率凹陷的环形部分26在包层的相对折射率首次达到小于-0.05％的值的位置开始，从中心线径向地向外延伸。在一些实施例中，包层40具有相对折射率分布δ4(r)，此相对折射率分布具有小于0.1％的最大绝对值，并且在本实施例中，δ4最大<0.05％且δ4最小>-0.05％，并且折射率凹陷的环形部分26在发现最外面空隙处结束。
包层结构40延伸至半径r4，这也是光纤的最外周边。在一些实施例中，包层的宽度(r4-r3)大于20μm；在其他实施例中，r4-r3至少为50μm，并且在一些实施例中，r4-r3至少为70μm。在另一实施例中，整个芯20是纳米结构的(例如充满了空隙)，并且芯20被包层40环绕。芯20可以具有“步进”折射率差量，或者可以具有分级芯分布，其中，α分布具有例如1.8至2.3之间的α值。
参照图3b，公开了光漫射光纤12的另一实施例的示意图。图3b的光纤包括具有相对折射率δ1的芯20，纳米结构区域26′位于芯20上并环绕芯。芯20可以具有“步进”折射率分布、或者分级芯分布，其中，α分布具有例如1.8至2.3之间的α值。在本实施例中，纳米结构区域26′是具有多个空隙32的环形圈。在本实施例中，区域26′的宽度可以小到1至2μm，并且可以具有负平均相对折射率δ2。包层40环绕纳米结构趋于26′。包层40的(径向)宽度可以小到1μm，并且包层可以具有或者负、负或者0％相对折射率(相对于纯二氧化硅)。图3a和图3b中的示例的主要差别在于，图3a中所示的纳米结构区域位于光漫射光纤12的芯20中，并且在图3b中，它位于芯/包层交界。折射率凹陷的环形部分26′在芯的相对折射率首次达到小于-0.05％的值的位置开始，从中心线径向地向外延伸。在图3b的实施例中，包层40具有相对折射率分布δ3(r)，此相对折射率分布具有小于0.1％的最大绝对值，并且在本实施例中，δ3最大<0.05％且δ3最小>-0.05％，并且折射率凹陷的环形部分26在空隙填充区域中出现最外面空隙处结束。在图3b中所示的实施例中，芯20的折射率大于环形区域26′的折射率n2，并且包层40的折射率n1同样大于折射率n2。
图3c展示了光纤12的芯20的一个实施例。此光纤具有：具有约33.4μm外半径r1的第一芯区域22、具有外半径r2＝42.8μm的纳米结构区域26、具有外半径r3＝62.5μm的第三芯区域28、以及具有82.5μm的外半径r4(未示出)的聚合物包层40。在本实施例中，芯的材料是纯二氧化硅(未掺杂的二氧化硅)，包层的材料是低折射率聚合物(例如，产品名称为q3-6696的，可从美国密歇根州米德兰市道康宁公司获得的具有折射率1.413的uv可固化的硅酮)，所述低折射率聚合物结合玻璃芯产生0.3的光纤na。与标准单模传输光纤(比如像
光漫射光纤12中纳米尺寸结构的存在创造了由光学散射导致的损失，并且散射穿过光纤的外表面的光可以用于照明目的。
涂层
在示例实施例中，光纤12可以包括如上文联系图2所讨论的涂层44。在一个示例性实施例中，涂层44包括亲水性涂层，比如提供改进的湿附着的经uv固化烯酸酯涂层。所述涂层可以是uv可固化的涂层，所述uv可固化的涂层包括与玻璃相邻的低模主涂层(通常<3mpa)以及更高模次涂层(通常>50mpa)。所述更高模次涂层与主(更低模)涂层相邻、并位于其上。还可以利用或者作为单层涂层或者作为多层涂层中的层涂敷的其他或附加涂层。此类材料的示例是充当细胞生长介质的亲水性涂层44a(未示出)或者包含用于向已逃离光提供额外散射的材料的涂层。这些涂层还可以充当光纤12的保护性覆盖。
用于涂层44的示例性亲水性涂层44a是一般用于改进细胞向表面的附着或生长的那些涂层，并且包含羰酸功能和氨功能(例如，包含丙烯酸或丙烯酰胺的配方)。另外，通过充当用于对生物材料的生长必要的营养物的储蓄器，亲水性涂层44a可以被增强。
在一些示例性实施例中，涂层44包括用于更改经辐射光的荧光或紫外线吸收性分子。涂层中还可以包括合适的上或下转换器分子，从而产生与输入光源的波长具有不同波长的光。还可以涂覆油墨涂层从而改变所发射光的颜色或色相。其他涂层实施例包括能够对从光纤发射的光提供额外散射的分子。进一步的实施例可以是涂层上的感光催化剂包含物，所述包含物可以用于提高光反应的速率。这种催化剂的一个示例是金红石tio2，作为光催化剂。
根据一些实施例，光漫射光纤12可以被围在聚合物、金属、或玻璃覆盖(或涂层)内，其中，所述涂层或覆盖具有大于250μm的最小外尺寸(例如，直径)。如果(多个)光纤具有金属涂层，所述金属涂层可以包含开口断面，从而允许光被优选引导至给定区域中。这些额外涂层或覆盖还可以包含附加化合物从而改变发射的光或与针对光纤上涂敷的涂层所描述的以同样的方式催化反应。
如上所述，光漫射光纤12可以包括被布置在光纤的外表面上的亲水性涂层。同样，荧光物质(例如，紫外线吸收性材料)可以被布置在光纤涂层、以及能够提供对发射的光的额外散射的分子中。根据一些实施例，与光漫射光纤12耦合的广元生成在200nm至500nm波长范围内的光，并且光纤涂层中的荧光材料(荧光物质)生成或者白色、绿色、红色、或nir(近红外)光。
而且，在光纤外表面上可以设置附加涂层。这个层可以被配置成用于更改经辐射的光，改变涂层材料的相互作用。这种涂层的示例将是分别包含比如但不限于聚(2-丙烯酸-2-甲基磺酸)、邻-硝基团、或偶氮苯组成成分等材料的涂层。
用于颜色前端移动的照明系统。
参照图4，是用于颜色前端移动的照明系统400的实施例。照明系统400包括光漫射光纤12，所述光漫射光纤可以例如是在此所描述或另外设想的光纤实施例中的任何一个。仅作为几个示例，光漫射光纤12可以是弯曲不敏感的光纤，或者可以包括多条光漫射光纤。是多条光纤的集合的电缆设计是众所周知的，并且除了许多其他结构或配置以外可以包括带、多条带的集合、或被聚集至管中的光纤。此类光纤可以包括一条或多条光漫射光纤。颜色前端的移动还可以用其他类型的光漫射元件实现，针对所述其他类型的光漫射元件，可以将不同颜色的光注入每一端。此类光漫射元件可以包括塑料光纤或使用了玻璃和塑料两者的混合光纤，在所述光纤中引入了某种散射机构，比如空气线、由外来物质(像二氧化钛或波导中的机械缺陷)组成的包含物。其他潜在的光漫射元件是具有上文提及的散射机构中的一种或多种的模塑的或压出的塑料或玻璃结构。
例如，如在此所描述的，光纤12可以是包括芯、包层、和位于芯内或芯-包层边界处的多个纳米尺寸结构的光漫射光纤。这种光纤可以进一步包括外表面。如上所述，光漫射光纤12被配置成用于通过纳米尺寸的结构(比如空隙)将被引导的光散射离开芯并穿过外表面，从而形成在其长度上发射辐射的光源光纤部分。光纤12可以具有形成于其中的多个弯曲，从而经由纳米尺寸结构32将光优选地散射离开芯20并穿过(多个)指定区域内的外表面。
再次参照图4，照明系统400还包括与光纤12的第一端光学地耦合的第一光源150a、以及与光纤12的第二端光学地耦合的第二光源150b。所述光源可以是各种各样光源中的任何一种，包括但不限于发光二极管(led)。根据一些实施例，所述光源生成具有在200nm至2000nm范围内的至少一个波长λ的光。
根据图5中所描述的实施例，第一光源发射具有第一波长210的光，并且第二光源发射具有第二波长220的光。第一波长210和第二波长220通常的不同的波长。例如，如果第一和第二光源所发射的光的强度近似相等，光将在第一光源所发射的所述光与第二光源所发射的所述光的重叠处形成颜色变化230。虽然颜色变化230在图中被绘制成单色，本领域技术人员将理解的是，颜色变化230的特定颜色和/或强度可以沿着从第一光源发射的光与从第二光源发射的光之剑的交互的长度在任何一点变化。例如，参照图5，颜色变化230的第一位置a处的光的颜色可以与颜色变化230的第二位置b处的光的颜色不同。根据实施例，用户沿着光纤12在颜色变化230的特定位置观察到的颜色将对应于与光源150a所发射的光的波长和光源150b所发射的光的波长相对应的两个点之间所画的线上的cie颜色图上的颜色。颜色变化是是各种因素所导致的，包括但不限于第一波长210和第二波长220的值，颜色变化230的被观察位置(例如，a或b)离光源150a和150b中的一个或两者的距离，和/或各种其他因素。
根据一个实施例，例如，光源150a可以发射具有波长638nm(红色)的光，并且光源150b可以发射具有波长445nm(蓝色)的光。在沿着颜色变化230的任何一点观察到的颜色将对应于445nm与638nm之间所画的线上的cie颜色图上的颜色。在沿着颜色变化230的位置处所观察到的沿着445与638nm之间的cie颜色图上所画的线的点取决于例如光源150a与150b的功率级的平衡。例如，如果红色光源(150a)被设定为比蓝色光源(150b)高得多的功率，光纤12将仅显示沿所述线的子集的与红色激光点最接近的颜色，并且反之亦然。
第一波长210和第二波长220通常是可调整的，使得除了创造沿着光纤12移动的感觉之外第一和第二光源所发射的光的颜色可以变化。
为了创造光纤12内移动的外观，第一和第二光源被配置成包括可调整的强度。例如，第一和第二光源所发射的光的强度可以受控制器控制，所述控制器进而向光驱动器发送指令。所述控制器可以被预编程的指令引导，或者可以对应于用户输入、传感器输入、时间、或各种各样其他控制输入。
根据图4中所绘的一个实施例，第一光源150a包括控制对第一光源的电力输入的电位计410a。第二光源150b类似地包括控制对第二光源的电力输入的电位计410b。电位计410a和410b可以被单独地控制从而将电力输入分别独立地引导至第一和第二光源。可以使用各种各样控制机构中的任何一种电子地、和/或远程地控制电位计。例如，电位计可以是系统级控制电路中的部件。所述控制电路可以被预编程的指令引导或对其进行响应，或者可以对应于用户输入、传感器输入、时间、或各种各样其他控制输入。可替代地，电位计中的一个或多个可以受开关、旋钮、或其他直接控制装置控制。这将允许用户直接调整第一和/或第二光源所发射的光的强度。可替代地，除了其他变化以外，对个体光源的驱动电流以及(因此)其输出功率进行设定的驱动器可以受模拟电压和/或脉宽调制(“pwm”)信号控制。这些电压或pwm信号可以由微控制器生成，所述微控制器被编程以传递期望的颜色移动效果。功率平衡、速率变化以及变化幅度是可以受微控制器控制的参数中的一些。还可以使所述微控制器与从遥控装置接收命令的系统相互作用。这些命令可以调整上文所提及的参数或者它们可以循环通过预先变成的效果集合。
为了创造沿着光纤12的长度移动的外观，对第一和/或第二光源所发射的光的强度进行调整。在图6至图7中描绘了颜色变化230的移动。在图6中，例如，提高光源150b所发射的具有波长220的光的强度。这可以例如通过引导电位计410b提高到光源150b的电力来完成，这进而提高光源150b所发射的光的强度。除了提高光源150b所发射的光的强度之外，光源150a所发射的光的强度可以同时减小。可替代地，可以降低光源150a所发射的光的强度。可以例如通过引导电位计410a来控制光源150a所发射的光的强度。
提高光源150b所发射的光的强度、和/或降低光源150a所发射的光的强度引起第一光源所发射的光与第二光源所发射的光的相互作用处的颜色变化230，从而近似从图5中的中心向左朝光源150a移动。光的强度被调整的速率还将控制交界230沿着光纤12的长度移动的速率。缓慢地提高或降低光源150a和/或150b中的一个或多个的强度将引起颜色变化230沿着光纤12的长度缓慢地移动，同时快速地提高或降低光源150a和/或150b中的一个或多个的强度将引起颜色变化230沿着光纤12的长度快速地移动。然而，处于非常高的移动速率，移动会不再是人眼可感知的。
在图7中，例如，提高光源150a所发射的具有波长210的光的强度。这可以例如通过引导电位计410a提高到光源150a的电力来完成，这进而提高光源150a所发射的光的强度。除了提高光源150a所发射的光的强度之外，光源150b所发射的光的强度可以同时减小。可替代地，可以降低光源150b所发射的光的强度。提高光源150a所发射的光的强度、和/或降低光源150b所发射的光的强度引起第一光源所发射的光与第二光源所发射的光的相互作用处的颜色变化230，从而向右朝光源150b移动。
相应地，通过控制光源150a和/或150b，可以一直衍射光纤12的长度引导颜色变化230的移动。虽然从第一光源发射的光与从第二光源发射的光的相互作用处的颜色变化230在图5至图7中被描绘为具有清晰界定的边界，应所述理解的是，这是出于展示的目的。颜色变化230可以是例如通过混合第一波长210与第二波长220的光而创造的颜色。例如，如果第一波长210是具有约475nm波长的淡蓝色光，并且第二波长220是具有波长575的淡黄色光，则颜色变化230可以表现为沿着在475nm与575nm之间所画的线找到的cie颜色图上的颜色中的一种或多种。相应地，沿着光纤12的移动可以是这个颜色变化230从光纤的一端到另一端的移动。
作为又另一替代方案，颜色变化230沿着光纤12的长度移动的一方面可以取决于光纤12的长度(光的漫射长度)而变化。这方面可以是除了使用光源150a和150b控制移动以外或与其分开的。例如，通过为绳索设置预定距离d，其中，第一和/或第二光源仅能够漫射至小于d的长度，可以将移动限制至光纤12的某些区域。光源150a所发射的光的漫射长度与光源150b所发射的光的漫射长度的重叠处将在光纤12的中央区域重叠，所述中央区域是颜色变化230的移动可以被限制至的区域。
图4至图7中所描绘的照明系统400可以被适配成无数不同配置。例如，光纤12可以在几米或更大的数量级上从非常短的光纤到非常长的光纤范围内变化。如果光纤12是弯曲不敏感的，例如，除了许多其他变化之外，它可以被弯曲、缠绕、或另外适配它将位于或安装的环境。相应的，照明系统400具有许多不同应用，其中只有少量可以在此加以描述。根据一些实施例，例如，具有(多个)光漫射光纤12的单或多光纤照明可以被用于含水环境中，例如用于照亮船坞、钓线或鱼饵、以及相关应用，在所述相关应用中，高度期望小灵活尺寸的光漫射光纤12和安全浸没在水中的能力。光漫射光纤12还可以有用于出口指示灯、照亮通道、发射用于房间探测器的ir辐射、或用于服装中的缝线，具体为保护性/反射性附装以进一步增强佩戴者的可见性。在装饰性照明中使用光漫射光纤12的示例是歧管，但一些示例用在电器照明和边缘效应、汽车/飞机照明、家庭和家具照明。作为另一示例，照明系统可以结合触摸传感器(控制设备)被用作滑动转盘显示器，使得当手指沿着触摸传感器滑动时，颜色变化230将相应地与手指一起移动。照明系统还可以结合比如电器等设备被用于指示循环的状态。颜色变化可以例如沿着光纤的长度从全蓝移动至全红，从而指示洗衣机循环的状态或另一可预测或可检测时间段的进度。作为示例，在此所述的照明系统可以用在前置式洗衣机的表面上或门周围，指示当前洗涤周期的状态、以及剩余时间。
应当理解的是，前述描述仅仅是本发明的示例而且旨在提供用于理解如由权利要求书限定的本发明的本质和特征的概述。附图被包括用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的不同特征和实施例，并与它们的描述一起用于说明本发明的原理和操作。对本领域的技术人员将变得清楚的是，可对如在此描述的本发明的优选实施例作出各种修改而不偏离如由所附权利要求书限定的本发明的精神或范围。
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